CN1949946A - 放电灯照明设备 - Google Patents

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Abstract

一种放电灯照明设备，包括：逆变器电路，包括开关电路和高压变压器；升压电路，连接在所述逆变器电路的输入级处；控制电路，输出开关电路控制信号和升压电路控制信号；通－断开关电路，连接于输入电压线；以及开关信号缓冲电路，连接在所述控制电路和所述开关电路之间并且适合于中继所述开关电路控制信号。驱动电压施加到所述控制电路而不通过所述通－断开关电路，并且驱动电压通过所述通－断开关电路施加到所述开关信号缓冲电路。以这样的结构，抑制了过量的冲击电流流入所述放电灯，从而在实现成本减少和尺寸减小的同时防止所述放电灯电极磨损并且因此增大灯的产品寿命和增强可靠性。

Description

放电灯照明设备
技术领域
本发明涉及一种放电灯照明设备，并且更具体地涉及一种在各种信息设备如传真机、复印机、扫描仪等中使用的并且适合于为读取文档提供照明的放电灯照明设备。
背景技术
最近，为提供高亮度、长产品寿命和高可靠性，需要在各种信息设备如传真机、复印机、扫描仪等中为读取文档提供照明的光源、或用于液晶显示(LCD)装置中的背光装置的光源。因此，越来越多地使用利用电介质阻挡放电的稀有气体放电灯。发现利用电介质阻挡放电的稀有气体放电灯具有多个优点：例如，其具有高照明效率，并且其在放电空间中没有电极，从而防止由于溅射放电而导致的其产品寿命的减小。传统上，用于点亮这样的稀有气体放电灯的设备合并了推挽式逆变器电路(参见例如日本专利申请公开号2001-160497)。
图4是如上面提到的这样的放电灯照明设备的典型实例的框图。参见图4，放电灯照明设备104包括控制电路106、升压电路105、开关电路107、升压变压器118以及平滑电容器115，其中来自外部DC电压源的输入电压Vi由升压电路105升压到电压Vj(升压电压)，其当被供给到平滑电容器115时，适合于借助开关电路107驱动升压变压器118的初级侧，从而点亮连接在升压变压器118的次级侧的放电灯101。在此操作期间，控制电路106根据升压电压Vj的反馈信号FB输出用于升压电路105的控制信号GC以及用于开关电路107的控制信号GS，从而升压电路105的升压操作和开关电路107的开关操作都仅由一个单个电路即控制电路106来控制。
图5是一电路图，示出图4的放电灯照明设备104的特定电路。升压电路105是升压斩波电路，其包括串联连接到DC电压源的正端子的扼流圈112、串联连接到扼流圈112的二极管114以及由例如功率MOSFET构成并且连接在地和扼流圈112与二极管114的连接点之间的开关元件113，并且其将其输出端子连接到使升压电压Vj平滑的平滑电容器115。升压电路105还包括连接到开关元件113的栅端子的栅电阻器133，并且为了对栅电容迅速地充电和放电从而实现高速开关操作，由电容器131和电阻器132组成的微分电路136连接到栅电阻器133，并且然后缓冲电路135连接到微分电路136，所述缓冲电路135被构造成使NPN晶体管129的发射极端子和基极端子分别连接到PNP晶体管130的发射极端子和基极端子。
开关电路107包括两个开关元件116和117，其每个由例如功率MOSFET构成并且其分别连接到升压变压器118的初级绕组的两个端子。升压变压器118的初级绕组的中点抽头连接到升压电压Vj，并且开关元件116和117以及升压变压器118构成推挽式逆变器电路。开关电路107还包括连接到开关元件116和117的各自栅端子的栅电阻器124和125，并且以与升压电路105的开关元件113中相同的方式为开关元件116和117中的每个提供微分电路136和缓冲电路135。
控制电路106包括：PWM(脉宽调制)控制电路119；开关电路门控信号产生电路，由设置在PWM控制电路119的输出级处的晶体管120和121以及电阻器122和123组成；以及升压电路门控信号产生电路，包括由二极管126和127以及电阻器128组成的信号加法器。
PWM控制电路119包括误差放大器137，其接收由分压电路111将升压电压Vj分压以便被反馈而产生的反馈信号FB以及将基准电压Vref分压而产生的基准信号。PWM控制电路119中产生的控制脉冲根据反馈信号FB与基准信号的比较而被脉宽调制，从而变成待输入到开关电路107的开关元件116和117的各自栅端子的开关电路门控信号GL和GU，以及变成待输入到升压电路105的开关元件113的栅端子的升压电路门控信号GC。
将参照示出时序图的图6A到6F解释上述放电灯照明设备104的工作。首先参见图6A，当在时间t0将来自外部DC电压源的输入电压Vi施加到升压电路105时，控制电路106开始其工作，由此门控信号B和D分别输出到升压电路105的开关元件113和开关电路107的开关元件116和117，如图6D和6F中所示，并且使得开关元件113、116和117开始它们的通-断操作。当升压电路105的开关元件113从通状态转换到断状态时，在扼流圈112处产生感应电压，由此在平滑电容器115的两个端子之间产生升压电压Vj，如图6B中所示。
当输入电压Vi施加到升压电路105时，输入电流A开始与瞬时产生的大冲击电流一起流动，如图6C中所示。如果DC电压源不具有足够的供给容量以覆盖冲击电流叠加在输入电流A上而导致的电流过量，那么DC电压源的输入电压Vi被降低为低于额定电压。通常，为了防止DC电源电压的降低，要求DC电源具有增大的供给容量，这导致DC电源的尺度增大。
另外，因为用于升压电路105的开关元件113的门控信号B以及分别用于开关电路107的开关元件116和117的门控信号D和门控信号同时开始它们的工作，所以流入平滑电容器115的冲击电流变大。因此，具有叠加在其上的冲击电流的输出电流C在放电灯101中流动，如图6E中所示，并且因此放电灯101的电极103和103’上的应力(stress)增大，从而缩短放电灯101的寿命。而且，通常，为了多少在某种程度上减小流入放电灯101的冲击电流，必须在升压电路105中执行延迟操作，并且因此放电灯101中的电流不可避免地具有拥有延迟上升的电流波形。
传统的放电灯照明设备通常包括都提供在DC电压源和控制电路之间的通-断开关电路和恒压电路，并且被构造成使得来自DC电压源的输入电压被预备地施加以便将升压电路置于待命状态，使得当通-断开关电路接通时，使升压电路和开关电路开始它们的工作以便开始点亮放电灯。在这样的放电灯照明设备中，因为输入电压Vi被预备地施加到处于待命状态的平滑电容器，所以平滑电容器处的电压从输入电压Vi而不是从0V上升到用于点亮放电灯的规定的升压电压Vj。因此，当与其中平滑电容器115处的电压从0V上升到用于点亮放电灯101的升压电压Vj的放电灯照明设备104相比较时，冲击电流减小。
但是，上述传统放电灯照明设备仍然具有这样的情况：升压电路和开关电路同时开始它们的工作以便点亮放电灯，并且使得流入平滑电容器的冲击电流叠加在输入电流上而构成的输出电流在放电灯中流动，因此导致与放电灯照明设备104相同的问题。
发明内容
根据上述问题而提出了本发明，并且本发明的目的是提供一种放电灯照明设备，其中抑制了来自DC电压源的供给电压由于叠加在输入电流上的冲击电流而降低，并且其中抑制了过量冲击电流流入放电灯，从而增大放电灯的寿命和增强可靠性。
为了实现本发明的目的，根据本发明的一方面，提供了一种放电灯照明设备，其包括：逆变器电路，包括开关电路和高压变压器，其中由逆变器电路驱动高压变压器的初级侧，从而点亮连接在高压变压器次级侧的放电灯；升压电路，连接在逆变器电路的输入级；控制电路，输出用于控制开关电路的工作的开关电路控制信号和用于控制升压电路的工作的升压电路控制信号；通-断开关电路，连接于输入电压线；以及开关信号缓冲电路，连接在控制电路和开关电路之间并且适合于中继开关电路控制信号。在放电灯照明设备中，驱动电压施加到控制电路而不通过通-断开关电路，并且驱动电压通过通-断开关电路施加到开关信号缓冲电路。
利用上述结构，当输入电压施加到放电灯照明设备时，通-断开关电路被关断，并且开关信号缓冲电路不工作，由此防止开关电路控制信号到达开关电路。因此，紧接在供给输入电压之后，通-断开关电路处于待命状态，并且仅升压电路处于工作状态。因此，使得能够在特定时段之后使通-断开关电路转换到通状态以便激活开关信号缓冲电路，并且使开关电路开始其工作，这抑制了冲击电流叠加在供给到放电灯照明设备的输入电流上。
在本发明的该方面中，放电灯照明设备还可以包括连接到控制电路的起动触发电路。该起动触发电路工作使得当通-断开关电路转换到通状态时，控制电路暂时增大升压电路的输出。因此，放电灯可以被迅速和稳定地点亮。
在本发明的该方面中，升压电路可以是升压斩波电路，包括串联连接到输入电压线的扼流圈、串联连接到扼流圈的二极管以及连接在地和扼流圈与二极管的连接点之间的开关元件，开关电路可以包括至少一个连接到高压变压器的初级侧的开关元件，并且控制电路可以包括脉宽调制控制电路，该脉宽调制控制电路根据基准电压产生用于控制升压电路的开关元件和开关电路的至少一个开关元件的各自的通-断操作的脉宽调制信号。
在本发明的该方面中，起动触发电路可以是基准电压偏移电路，其用于偏移基准电压以暂时地增大升压电路的开关元件的占空比(on-duty)。
在本发明的该方面中，放电灯可以是利用电介质阻挡放电的稀有气体放电灯，并且开关电路可以是推挽式开关电路。
在本发明的该方面中，通-断开关电路的输出信号可以由外部输入的通-断信号来控制。
在本发明的该方面中，放电灯照明设备还可以包括连接在输入电压线和通-断开关电路之间的恒压电路。恒压电路将各驱动电压供给到控制电路、开关缓冲电路和开关电路。
在上述放电灯照明设备中，抑制了来自DC电压源的供给电压由于叠加在输入电流上的冲击电流而降低，并且抑制了过量的冲击电流流入放电灯，从而增大放电灯的寿命和增强可靠性。
附图说明
图1是根据本发明的实施例的放电灯照明设备的框图；
图2是图1的放电灯照明设备的电路图；
图3A到3G是用于解释图1的放电灯照明设备的工作的时序图；
图4是传统放电灯照明设备的框图；
图5是图4的放电灯照明设备的电路图；以及
图6A到6F是用于解释图4的放电灯的工作的时序图。
具体实施方式
下文将参照附图描述本发明的示范实施例。
参见图1，根据本发明的实施例的放电灯照明设备1包括：逆变器电路，由开关电路4和高压变压器5组成；升压电路3，连接在逆变器电路的输入级；以及控制电路2，产生用于控制开关电路4的工作的开关电路控制信号GS和用于控制升压电路3的工作的升压电路控制信号GC，其中逆变器电路驱动高压变压器5的初级侧从而点亮连接在高压变压器5的次级侧的放电灯11。平滑电容器7连接到升压电路3的输出端子。
放电灯照明设备1还包括通过恒压电路10连接到输入电压线(a)的通-断开关电路6以及连接在控制电路2和开关电路4之间并且适合于中继开关电路控制信号GS的开关信号缓冲电路8。来自恒压电路10的驱动电压(b)直接施加到控制电路2而不通过通-断开关电路6，而来自恒压电路10的驱动电压(c)通过通-断开关电路6施加到开关信号缓冲电路8。另外，作为起动触发电路的基准电压偏移电路9连接在控制电路2和通-断开关电路6之间。因此，放电灯照明设备1从外部DC电压源接收输入电压Vi，并且还从外部通-断信号产生电路(未示出)等接收通-断信号，其切换通-断开关电路6的通状态和断状态。
参见图2，升压电路3是升压斩波电路，并且包括串联连接到输入电压线(a1)的扼流圈12、串联连接到扼流圈12的二极管14以及连接在地和扼流圈12与二极管14的连接点之间的开关元件13。开关元件13优选地由功率MOSFET构成并且将其栅端子连接到栅电阻器24，其为了对栅电容迅速地充电和放电从而实现高速开关性能，在其输入级具有缓冲电路34，缓冲电路34被构造成使NPN晶体管22的发射极端子和基极端子分别连接到PNP晶体管23的发射极端子和基极端子。并且，如早先描述的，平滑电容器7连接到升压电路3的输出端子。
开关电路4是推挽式开关电路(下文中适当时称为“推挽式开关电路4”)，并且包括两个开关元件15和16，每个优选地由功率MOSFET构成。开关元件15和16分别连接到高压变压器5的初级绕组的两个端子，并且来自升压电路3的升压电压Vj输入到高压变压器5的初级绕组的中点抽头。推挽式逆变器电路由开关元件15和16以及高压变压器5构成。类似升压电路3的开关元件13，开关元件15和16将它们的栅端子分别连接到栅电阻器20和21，其具有连接在它们的输入级的各自的缓冲电路35和36。
控制电路2是PWM控制电路(下文中适当时称为“PWM控制电路2”)，并且包括误差放大器(未示出)，根据来自升压电路3的升压电压Vj而产生的反馈信号FB和由电阻器41和42对基准电压Vref分压而产生的基准信号输入到误差放大器。PWM控制电路2中产生的控制脉冲根据反馈信号FB与基准信号的比较被脉宽调制，并且变成待分别输入到推挽式开关电路4的开关元件15和16的栅端子的开关电路控制信号(门控信号)GU和GL，以及变成待输入到升压电路3的开关元件13的栅端子的升压电路控制信号(门控信号)GC。这样，除了其电路主体之外，PWM控制电路2还可以包括由设置在电路主体的输出级的晶体管以及电阻器组成的开关电路门控信号产生电路，以及类似于图5中所示的传统放电灯照明设备4中的包括由二极管和电阻器组成的信号加法器的升压电路门控信号产生电路。
恒压电路10是所谓的串联稳压电源，并且包括由电阻器28和29以及齐纳二极管40组成并且连接在输入电压线(a2)和地之间的串联电路，并且在齐纳二极管40处产生的基准电压被输入到串联连接到输入电压线(a2)的NPN晶体管26的基极端子，由此NPN晶体管26的基极端子和发射极端子之间的电压被保持恒定，从而提供预定的输出电压。恒压电路10还包括晶体管27和电阻器30，其相组合用作保护电路，防止负载电流的迅速增大。本发明不局限于特定结构的恒压电路，而可以采用具有所需特性的任何适当的恒压电路。另外，依赖于所使用的外部DC电压源和放电灯照明设备1中的其他电路的规格，甚至可以省略恒压电路10。
通-断开关电路6连接到恒压电路10。通-断开关电路6主要包括：PNP晶体管19，作为开关主体；以及电阻器39和电容器40，两者都连接在晶体管19的基极端子和发射极端子之间以得到预定的基极电势。晶体管19的基极端子连接到外部通-断信号输入到其的端子。本发明不局限于特定结构的通-断开关电路，而可以采用具有所需特性的任何适当的通-断开关电路。
来自外部DC电压源的输入电压Vi(例如24V)通过输入电压线(a1)施加到升压电路3，并且升压电路3输出升压电压Vj(例如70V)。来自连接到输入电压线(a2)的恒压电路10的驱动电压Vcc(例如15V)直接施加到PWM控制电路2，并且来自恒压电路10的驱动电压Vcc(基本与上述驱动电压Vcc相同)通过通-断开关电路6施加到开关信号缓冲电路8、基准电压偏移电路9和施加到推挽式开关电路4。
开关信号缓冲电路8包括比较器17和18，来自通-断开关电路6的驱动电压Vcc施加到比较器17和18。由电阻器43和44对驱动电压Vcc分压而构成的基准电压(例如Vcc/2)输入到比较器17和18的反相输入端子，来自PWM控制电路2的开关电路门控信号GU和GL分别输入到比较器17和18的非反相输入端子，并且比较器17和18的输出端子被上拉到驱动电压线。这样构造的开关信号缓冲电路8用作具有矩形波脉冲的开关电路门控信号GU和GL的缓冲电路。
基准电压偏移电路9包括由电容器25和电阻器37组成的串联电路，该串连电路的一个端子连接到用于从通-断开关电路6输出的驱动电压Vcc的线，而该串连电路的另一个端子连接到对基准电压Vref分压的电阻器41和42的连接点。
将参照图3A到3G描述放电灯照明设备1的工作。
来自外部DC电源的输入电压Vi(例如24V)当如图3A中所示在时间t0输入到放电灯照明设备1时，被馈送到升压电路3，并且还馈送到恒压电路10并从而转换成待施加到PWM控制电路2的驱动电压Vcc(例如15V)。随后，PWM控制电路2输出升压电路门控信号GC，并且图3E中所示的门控信号输入到升压电路3的开关元件13，从而开始其通-断操作。结果，在平滑电容器7的两个端子之间产生升压电压Vj(例如70V)，如图3B中所示。
在此阶段，通-断信号A处于高状态，如图3C中所示，通-断开关电路6处于断状态，并且开关信号缓冲电路8不工作。因此，尽管在PWM电路2中开始产生开关电路门控信号GU和GL，但所产生的开关电路门控信号GU和GL不到达推挽式开关电路4以作为用于开关元件15和16的门控信号，如图3G中所示，因此未使推挽式开关电路4工作。因此，如图3D中所示，一旦在时间t0供给输入电压Vi，输入电流B就瞬时地流动，但是立刻停止流动。并且，由于用于推挽式开关电路4的开关元件15的门控信号E不工作，如图3G中所示，所以输出电流D不在高压变压器5的次级侧流动，如图3F所示，因此此时放电灯11不被点亮。
如上所述，在时间t0输入输入电压Vi后，经过通-断开关电路6处于断状态的待命状态(t0-t1)，随后在时间t1，外部通-断信号变成低状态，将通-断开关电路6置于通状态，且正常工作条件从时间t1开始。
如图3C中所示，当通-断开关电路6在时间t1变成通状态时，驱动电压Vcc施加到开关信号缓冲电路8以使开关信号缓冲电路8开始其工作，并且从而来自PWM控制电路2的开关电路门控信号GU和GL到达推挽式开关电路4以作为用于开关元件15和16的门控信号，从而使推挽式开关电路4开始其工作。随后，高压变压器5由推挽式开关电路4驱动，并且输入电流B开始流动，如图3D中所示，从而使输出电流D在高压变压器5的次级侧流动，如图3F中所示，从而点亮放电灯11。
在具有上述工作时序的放电灯照明设备1中，一施加输入电压Vi(时间t0)，输出电压就被升压到规定的升压电压Vj，并且完成平滑电容器7的充电。因此，当通-断开关电路6接通时(时间t1)，没有冲击电流叠加在输入电流B和输出电流D上，从而没有在放电灯11的电极上施加应力，并因此防止缩短放电灯11的寿命。而且，因为在放电灯11中没有冲击电流流动，所以不需要实施传统上为抑制冲击电流而进行的升压电路的延迟操作。因此，用于放电灯11的输出电流D的波形急剧上升，导致放电灯11的迅速和稳定的点亮。
因此，在升压电路3的升压操作完成之后，开关信号缓冲电路8与通-断开关电路6的启动相结合，用作使推挽式开关电路4工作的缓冲器，并且升压电路3和推挽式开关电路4各自的工作可以由一个单个电路(单个PWM控制电路2)彼此独立地执行，而不是由两个单独的控制电路执行。
现在将描述基准电压偏移电路9。因为放电灯11不在上述待命状态(图3A到3G中的时段t0-t1)被点亮，所以升压电路3上的负载轻。因此，升压电路门控信号GC即用于升压电路3的开关元件13的门控信号C具有拥有很小占空比的脉冲波，如图3E中所示。因此，当通-断开关电路6接通时，具有这样的很小占空比的升压电路门控信号GC不能得到足够的功率来驱动放电灯11，因此可能不能成功地点亮放电灯11。此问题通过提供产生使得能够适时地点亮放电灯11的升压电路门控信号GC的基准电压偏移电路9而解决。
基准电压偏移电路9工作如下。通过对基准电压Vref分压而形成的基准信号和来自升压电路3的反馈信号FB被输入到PWM控制电路2，并且升压电路门控信号GC的脉冲宽度根据基准信号和反馈信号FB之间的电压差来调制，并且被输出到升压电路3。随后，仅在通-断开关电路6接通的时刻，基准电压偏移电路9通过电容器25的作用将电源电压Vcc供给到PWM控制电路2，从而将基准电压升压到高于规定电压的电压，这导致输入到PWM控制电路2的基准信号和来自升压电路3的反馈信号FB之间的电压差增大。这使PWM控制电路2确定升压电路3的升压电压Vj被降低，并因此升压电路门控信号GC的占空比、即用于升压电路3的开关元件13的门控信号C的占空比增大，如图3E中所示。结果，使得升压电路3的输出暂时增大，从而稳定地点亮放电灯11。
在上述放电灯照明设备1中，放电灯11优选地是利用电介质阻挡放电的稀有气体放电灯。而且，开关电路4不必须是推挽式开关电路，而可以是例如全桥或半桥结构，或可以可替换地由一个单个开关元件构成。

Claims (8)

1.一种放电灯照明设备，包括：
逆变器电路，包括开关电路和限定初级侧和次级侧的高压变压器，其中由所述逆变器电路驱动所述高压变压器的所述初级侧，从而点亮连接在所述高压变压器的所述次级侧的放电灯；
升压电路，连接在所述逆变器电路的输入级；
控制电路，输出用于控制所述开关电路的工作的开关电路控制信号和用于控制所述升压电路的工作的升压电路控制信号；
通-断开关电路，连接于输入电压线；以及
开关信号缓冲电路，其连接在所述控制电路和所述开关电路之间并且中继所述开关电路控制信号，其中驱动电压施加到所述控制电路而不通过所述通-断开关电路，并且驱动电压通过所述通-断开关电路施加到所述开关信号缓冲电路。
2.如权利要求1的放电灯照明设备，其中所述放电灯照明设备还包括连接到所述控制电路的起动触发电路，并且所述起动触发电路工作使得当所述通-断开关电路转换到通状态时，所述控制电路暂时增大所述升压电路的输出。
3.如权利要求1或2的放电灯照明设备，其中所述升压电路是升压斩波电路，包括：串联连接到所述输入电压线的扼流圈、串联连接到所述扼流圈的二极管以及连接在地和所述扼流圈与所述二极管的连接点之间的开关元件，所述开关电路包括至少一个连接到所述高压变压器的所述初级侧的开关元件，并且所述控制电路包括脉宽调制控制电路，所述脉宽调制控制电路根据基准电压产生用于控制所述升压电路的所述开关元件和所述开关电路的所述至少一个开关元件的各自的通-断操作的脉宽调制信号。
4.如权利要求3的放电灯照明设备，其中所述起动触发电路是基准电压偏移电路，其用于偏移所述基准电压以暂时增大所述升压电路的所述开关元件的占空比。
5.如权利要求1-4中任何一项的放电灯照明设备，其中所述放电灯是利用电介质阻挡放电的稀有气体放电灯。
6.如权利要求1-5中任何一项的放电灯照明设备，其中所述开关电路是推挽式开关电路。
7.如权利要求1-6中任何一项的放电灯照明设备，其中所述通-断开关电路的输出信号由外部输入的通-断信号来控制。
8.如权利要求1-7中任何一项的放电灯照明设备，其中所述放电灯照明设备还包括恒压电路，其连接在所述输入电压线和所述通-断开关电路之间，并且其向所述控制电路、所述开关缓冲电路和所述开关电路供给各自的驱动电压。
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